CN105303604A - 一种用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法及系统。利用健侧对应骨骼形态作为模板，将健侧对应骨骼的三维CT图像翻转为镜像后，减去患侧骨骼三维CT图像，以得到患侧骨缺损的精确形态；测量骨缺损处的最大长度、宽度、深度、缺损的空间位置等参数，实现对患侧骨性缺损的全面评估。本发明实现了对人体单侧肢体骨骼中骨缺损的模型重建和三维测量，可以准确、全面地评估骨性缺损，对于有效降低因骨骼骨性缺损造成术后复发的疾病的复发率有重要意义。

Description

一种用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法及系统

技术领域

本发明属于计算机辅助医学领域，具体涉及一种用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法及系统。

背景技术

许多骨科病患，由于创伤、劳损、肿瘤或是自身免疫类疾病等多种原因导致出现单侧肢体骨性损伤，部分骨质结构缺损。这种情况下，为恢复病患肢体功能往往需要重建缺损的骨结构。此时只有精确的了解缺损部位骨性结构的形态特点，才能有效地计划手术重建方式。

由于这种情况下，患侧骨结构往往已经部分毁损或缺失，单凭借患侧现有骨骼形态难以推知伤前骨骼的精确形态特征。目前，已有针对人体各个部位的大量解剖学研究证实，双侧肢体的对应部位的骨性结构往往互为镜像，形态非常近似。在这种情况下，可以健侧对应部位骨性结构作为患侧未损伤前形态模板，来计算患侧骨性结构缺失部分形态。由于这一模板具有病患本身个性化特征，因而较以该部位骨骼通用参数或通用形态模型为参照模板的方法进行计算更加符合病患的个体特征。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法及系统，利用健侧对应骨骼形态作为模板，将健侧对应骨骼的三维CT图像翻转为镜像后，减去患侧骨骼三维CT图像，以得到患侧骨缺损的精确形态；测量骨缺损处的最大长度、宽度、深度、缺损的空间位置等参数，实现对患侧骨性缺损的全面评估。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，包括以下步骤：

1)对包含同一患者双侧相同部位目标骨骼的医学图像进行分割，分别提取健侧骨骼区域和患侧骨骼区域。

2)分别对分割后的健侧骨骼区域图像和患侧骨骼区域图像进行三维重建，得到健侧骨骼三维模型和患侧骨骼三维模型。

3)依据关键解剖标志点的位置及解剖结构的形态特点，分析与识别健侧骨骼三维模型与患侧骨骼三维模型的重要解剖结构，并且以互为镜像的重要解剖结构为约束，对健侧骨骼三维模型与患侧骨骼三维模型进行配准，得到相应的患侧骨骼配准到健侧对应骨骼的配准矩阵。

4)利用步骤3)得到的配准矩阵，计算健侧骨骼区域图像与患侧骨骼区域图像的差异，得到患侧骨骼的骨缺损断层图像。

5)对骨缺损断层图像进行三维重建，得到骨缺损三维模型。

6)建立骨缺损所在骨骼的三维坐标系，对骨缺损参数进行测量。

进一步地，采用医学图像分割算法对医学图像进行分割。

优选地，步骤1)采用基于阈值的分割算法，并辅以人工手动微调的方法对医学图像进行分割，包括：

1-1)基于阈值的图像分割。选定一个阈值范围对同一序列医学图像执行阈值分割。

1-2)手动调整单张图像分割结果。顺序浏览阈值分割后的图像，对于明显存在骨边缘未封闭的情况，采用手动画点或画线方式封闭骨边缘；对于肱骨头与周围组织相粘连的情况，采取手动画直割线方式将相粘连部分分离。

进一步地，步骤2)和5)中采用计算机图形学中的三维重建技术进行所述的三维建模，如MC(MarchingCube，移动立方体)算法等。

进一步地，步骤3)采用计算机科学中的配准算法进行三维模型配准，如ICP(IterativeClosestPoint，迭代最近点)算法等。

上述配准过程包括：通过计算旋转平移后的患侧点云与健侧点云之间的误差距离，如果误差大于预设阈值则继续迭代整个过程，直至误差小于预设阈值，则认为配准成功；其后可手工对配准进行微调，如进行移位或旋转。

进一步地，步骤4)具体包括以下步骤：

4-1)利用步骤3)得到的配准矩阵，对分割后的患侧骨骼区域内的所有体素进行三维空间变换，定位健侧骨骼区域内的相应体素；

4-2)依据健侧与患侧骨骼三维模型内的体素对应关系，计算健侧骨骼图像与患侧骨骼图像的差异，得到患侧骨骼的骨缺损断层图像；

4-3)利用上步得到的骨缺损断层图像，重建骨缺损三维模型，获得骨缺损的原始形态。

进一步地，步骤6)采用计算机系统中三维坐标系的建立方法建立缺损所在骨骼的三维坐标系，如以骨骼重心为坐标原点，建立左手坐标系，即x轴向右，y轴向上，z轴向前。

进一步地，步骤6)中，所述骨缺损参数包括：骨缺损最大长度、宽度、深度和骨缺损在健康骨骼上的空间位置，选用线形测量工具，以鼠标点选方式确定骨缺损最大长度以及宽度、深度的两个端点，确定参数的数值；选用位置测量工具，以鼠标单击方式确定骨缺损最深处的位置，确定该位置的三维坐标；选用角度测量工具，测量缺损所处方向；选用体积测量工具，测量骨缺损的体积。

一种测量人体单侧肢体骨骼骨性损伤的系统，包含：显示模块、交互模块、骨缺损处理模块、数据存储模块，其中：

所述骨缺损处理模块又包括：

图像分割子模块，用于对待处理图像进行分割，分别提取健侧骨骼区域和患侧骨骼区域；

三维重建子模块，用于对分割后的健侧骨骼区域图像和患侧骨骼区域图像以及骨缺损断层图像进行三维重建，分别得到健侧骨骼三维模型、患侧骨骼三维模型和骨缺损三维模型；

配准子模块，用于对健侧骨骼三维模型、患侧骨骼三维模型进行配准，得到相应的患侧骨骼配准到健侧对应骨骼的配准矩阵；

骨缺损断层图像获取子模块，用于获取骨缺损断层图像；

解剖结构测量子模块，用于构建缺损所在骨结构的三维坐标系，提供测量所需的工具；

所述交互模块用于检测用户输入，判断所选测量工具，使用户与系统进行交互，参与完成骨缺损的参数测量；

所述显示模块用于展示图像分割结果，健侧骨骼三维模型、患侧骨骼三维模型及骨缺损三维模型，缺损所在骨结构的三维坐标系。

所述数据存储模块又包括：

图像数据库，用于存储患者的医学图像数据，图像分割处理后图像分割数据，骨缺损断层图像；

三维模型数据库，用于存储健侧骨骼三维模型、患侧骨骼三维模型，骨缺损三维模型；

解剖结构数据库，用于存储人体解剖学骨骼骨性标志的重要解剖结构，以及双侧对应的解剖结构标志。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点。

1.本发明给出准确测量人体单侧肢体骨骼骨性损伤的方法。

本发明中，优点在于设计并实现了一种将三维CT技术用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤的方法。利用三维CT技术可以准确描述人体骨骼骨性结构的形态学特征的特点，实现了以往二维测量方法无法做到的对骨缺损形态以及骨缺损在所在骨结构上的空间位置的三维描述，即实现了对骨缺损的精确、全面的测量。

2.方法以解剖学相关研究结论为理论依据，可更加个性化、准确的测量个体的骨性损伤。

本发明中，提出的测量方法以解剖学研究中关于双侧肢体的对应部位的骨性结构往往互为镜像，形态非常近似的结论为依据，以健侧对应部位骨性结构作为患侧未损伤前形态模板，来计算患侧骨性结构缺失部分形态。由于这一模板具有病患本身个性化特征，因而较以该部位骨骼通用参数或通用形态模型为参照模板的方法进行计算更加符合病患的个体特征。

3.本发明实现了一种基于三维CT技术的肱骨头骨性缺损测量的系统。

本发明采用三维CT技术，运用解剖学中关于双侧肢体的对应部位的骨性结构往往互为镜像，形态非常近似的结论，结合计算机视觉技术，实现人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的系统。

4.针对特定临床问题专门设计软件，具有简单易用的特点，方便临床应用。

系统处理流程相对简单，易于操作。由于实时处理，系统可以对处理结果进行实时反馈，提升了用户体验效果。

附图说明

用于描述的目的，而非限制的目的，本发明的前述和其他方面将参照附图更加详细地进行解释，其中：

图1为本发明系统的单机模式操作场景示意图。

图2为本发明系统的远程模式操作场景示意图。

图3为本发明测量单侧肢体骨缺损的系统框架图。

图4为本发明测量单侧肢体骨缺损的方法流程图。

图5(a)为本发明原始的肱骨头CT图像；图5(b)为通过图像分割后得到的图像；图5(c)为三维交互过程展示图像；图5(d)为双侧肱骨头配准效果图；图5(e)为患侧骨及骨缺损示意图；图5(f)为骨缺损图像。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好的理解本发明，以下结合实施例和附图进一步详细描述本发明，但不构成对本发明的限制。

图1和图2分别为本发明系统的单机模式操作场景和远程模式操作场景。该系统处理和分析来源于同一患者的双侧目标骨骼图像，用于还原骨缺损形态及参数测量。其中，医学成像装置由用户使用以通过对患者扫描或成像而获取医学图像。不同的支持DICOM标准的医学成像模态可以用于本系统。例如，医学图像可以是计算机断层照相法(CT)图像和MRI图像或来自合适的图像或数据获取装置的任何图像。

通过医学成像装置获取的图像数据通过存储介质或访问医学图像数据服务器提供给计算机或工作站以进行处理。计算机或工作站提供用户界面，准许用户浏览医学图像，操作这些图像并与系统互动而处理这些图像。用户界面包括显示器，该显示器可以是显示屏，或图像保护器，或可以是能够向用户可视呈现医学图像并向用户呈现图形和文本内容的任何其他合适的显示装置。远程模式操作时系统具有访问医学图像数据服务器的权限。医学图像数据服务器可以是系统的部分。其也可以由外来服务器供应者提供，如医院信息系统。尽管图1中仅示出了单机计算机，但计算机可以是任何一般目的的计算机或专用计算机。其也可以是嵌入式系统，如在包括医学成像仪的图像获取系统中的嵌入式系统。

系统也可以包括多个外围设备，以便于用户可以重现或记录中间处理的结果或者系统的其他输出结果。例如，输出外围设备可以是基于纸张的打印机，可用于产生硬拷贝报告，用于与其他医师共享或者用于归档目的。另外，输出外围设备可以包括存储介质和医学图像数据服务器，用于转换或存储经过处理的结果。

图3为本发明的测量单侧肢体骨骼骨性损伤测量的软件系统框架图。包括界面交互层、逻辑处理层和数据资源层。

界面交互层是用户与系统交互的界面。其中界面设计包括菜单条和工具条的布局以及二维图像和三维模型的显示设计，包括图像分割结果的图形化反馈，原始三维模型及目标三维模型的展示，缺损所在骨骼的三维坐标系的展示。交互工具包括手动进行图像分割时的交互图像处理工具箱，如点选、填充和擦除；以及手动微调配准时的交互配准工具箱，如移动和旋转。测量工具包括骨缺损形态的测量工具箱，可在断层图像和三维模型空间进行测量，如长度、宽度、角度、体积等测量工具。过程记录实现处理流程的数据记录，包括患者CT图像序列、交互工具的参数、中间处理结果如图像分割结果、重建的三维模型、模型配准得到配准矩阵及解剖结构测量单元获得所有的测量参数。

在逻辑处理层，图像分割单元对健侧、患侧骨骼原始CT图像完成预处理操作，提取出感兴趣部位，用户交互确认后，将处理后的分割图像进行三维重建。配准单元对健侧、患侧三维模型进行配准，得到相应的患侧骨结构配准到健侧对应骨骼的配准矩阵。骨缺损重建单元利用上步变换矩阵，对健侧、患侧预处理后的CT图像进行配准，获得骨缺损部分的断层图像，重建骨缺损部分三维模型；解剖结构测量单元和交互处理单元，建立缺损所在骨结构的坐标系，根据用户所选测量工具，交互式地完成对骨缺损的位置、长度、宽度、角度等参数信息的测量，并提供参数反馈。

在数据资源层，图像数据库中包含患者的医学断层扫描图像数据如CT图像，图像分割处理后图像分割数据，骨缺损部分CT图像；三维模型数据库用于存放健侧、患侧对应部位骨骼的三维模型，骨缺损部分三维模型；解剖结构数据库存放的人体骨骼的重要解剖结构，以及人体双侧对应的解剖结构标志。

图4为应用上述方案进行单侧肢体骨骼骨性损伤测量的步骤流程图。其分为四个阶段：预处理阶段、模型配准阶段、骨缺损获取阶段、缺损测量阶段。以肱骨头骨缺损的测量为例具体说明。

预处理阶段，主要完成图像分割功能。在原始的肱骨头CT图像(如图5(a)所示)中往往存在肱骨头与肩胛骨的分界线不明显、骨缺损图像中骨松质与周围组织相混淆等情况，通过图像分割，解决以上所述的问题，提取出仅包含肱骨头部分的图像，为后续步骤做准备。其中，分割后的图像效果如图5(b)所示，箭头所指示部位为目标肱骨头部分。

其中图像分割方法，采用基于阈值的分割算法，并辅以人工手动微调的方法。

(1)基于阈值的图像分割。选定一个阈值范围对同一序列CT图像执行阈值分割。

(2)手动调整单张图像分割结果。顺序浏览阈值分割后的图像，对于明显存在骨边缘未封闭的情况，采用手动画线方式封闭骨边缘；对于肱骨头与周围组织相粘连的情况，采取手动画直割线方式将相粘连部分分离。

模型配准阶段，主要对患者健侧、患侧肱骨头三维模型进行配准。

(1)重建健侧、患侧肱骨头三维模型。分别利用图像分割后的健侧、患侧肱骨头图像，采用MarchingCube算法，重建获得健侧、患侧肱骨头三维模型。

(2)配准健侧与患侧肱骨头的三维模型。采用ICP配准算法，根据算法原理，通过计算旋转平移后的患侧点云与健侧点云之间的误差距离，如果误差大于预设阈值则继续迭代整个过程，直至误差小于预设阈值，则认为配准成功；其后可手工对配准进行微调，如进行移位或旋转；确认后获得的变换矩阵提供给骨缺损获取阶段使用。双侧肱骨头配准后的效果如图5(d)所示。

骨缺损获取阶段是系统的重要阶段。在该阶段通过使用健侧肱骨头图像减去患侧肱骨头图像，以获得骨缺损部分磨损前的原始形态。下面将详细说明骨缺损获取阶段的执行步骤：

(1)配准断层图像。该步骤目的在于将患者双侧肱骨头图像进行“镜像对齐”。利用模型配准阶段获得的将患侧肱骨头配准到健侧肱骨头的匹配矩阵，对分割后的患侧骨骼区域内的所有体素进行三维空间变换，定位健侧骨骼区域内的相应体素。

(2)依据健侧与患侧骨骼模型内的体素对应关系，计算健侧骨骼图像与患侧骨骼图像的差异，得到患侧骨骼骨缺损的断层图像。

(3)重建骨缺损的三维模型。利用上步得到的骨缺损断层图像，重建骨缺损三维模型，获得骨缺损的原始形态。图5(f)展示了重建后的骨缺损形态。

骨缺损测量阶段，在本阶段主要建立肱骨头的三维坐标系，测量骨缺损的最大长度、宽度、深度、缺损在肱骨头的位置以及缺损长轴与肱骨干长轴夹角五个参数。

(1)建立肱骨头三维坐标系。采用如下方式建立肱骨头三维坐标系：采用计算机系统中三维坐标系的建立方法建立肱骨头三维坐标系，如以肱骨头重心为坐标原点，建立左手坐标系，即x轴向右，y轴向上，z轴向前。

(2)测量骨缺损参数。选用线形测量工具，以鼠标点选方式确定骨缺损最大长度(以及宽度、深度)的两个端点，确定参数的数值；选用位置测量工具，以鼠标单击方式确定缺损最深处的位置，确定该位置的三维坐标；选用角度测量工具，测量缺损长轴与肱骨干长轴的夹角；选用体积测量工具，测量骨缺损的体积。

至此，完成了整个骨缺损三维形态的测量全流程。

综上所述，本发明给出了一种准确测量单侧肢体骨骼骨性损伤的方法及系统。用户采用本方法可以准确获得骨缺损的三维形态，大大减少了测量的工作量和处理时间。其中，实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，包括以下步骤：

1)对包含同一患者双侧相同部位目标骨骼的医学图像进行分割，分别提取健侧骨骼区域和患侧骨骼区域；

2)分别对分割后的健侧骨骼区域图像和患侧骨骼区域图像进行三维重建，得到健侧骨骼三维模型和患侧骨骼三维模型；

3)依据关键解剖标志点的位置及解剖结构的形态特点，分析与识别健侧骨骼三维模型与患侧骨骼三维模型的重要解剖结构，并且以互为镜像的重要解剖结构为约束，对健侧骨骼三维模型与患侧骨骼三维模型进行配准，得到相应的患侧骨骼配准到健侧对应骨骼的配准矩阵；

4)利用步骤3)得到的配准矩阵，计算健侧骨骼区域图像与患侧骨骼区域图像的差异，得到患侧骨骼的骨缺损断层图像；

5)对骨缺损断层图像进行三维重建，得到骨缺损三维模型；

6)建立骨缺损所在骨骼的三维坐标系，对骨缺损参数进行测量。

2.如权利要求1所述的用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，其特征在于，采用医学图像分割算法对医学图像进行分割。

3.如权利要求1所述的用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，其特征在于，步骤1)采用基于阈值的分割算法，并辅以人工手动微调的方法对医学图像进行分割，包括：

1-1)选定一个阈值范围对同一序列医学图像执行阈值分割；

1-2)顺序浏览阈值分割后的图像，对于明显存在骨边缘未封闭的情况，采用手动画点或画线方式封闭骨边缘；对于肱骨头与周围组织相粘连的情况，采取手动画直割线方式将相粘连部分分离。

4.如权利要求1所述的用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，其特征在于，步骤2)和5)中采用计算机图形学中的三维重建技术进行所述的三维建模。

5.如权利要求1所述的用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，其特征在于，步骤3)采用计算机科学中的配准算法进行三维模型配准。

6.如权利要求5所述的用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，其特征在于，所述配准过程包括：通过计算旋转平移后的患侧点云与健侧点云之间的误差距离，如果误差大于预设阈值则继续迭代整个过程，直至误差小于预设阈值，则认为配准成功。

7.如权利要求1所述的用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，其特征在于，步骤4)具体包括以下步骤：

4-1)利用步骤3)得到的配准矩阵，对分割后的患侧骨骼区域内的所有体素进行三维空间变换，定位健侧骨骼区域内的相应体素；

4-2)依据健侧与患侧骨骼三维模型内的体素对应关系，计算健侧骨骼图像与患侧骨骼图像的差异，得到患侧骨骼的骨缺损断层图像；

4-3)利用上步得到的骨缺损断层图像，重建骨缺损三维模型，获得骨缺损的原始形态。

8.如权利要求1所述的用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，其特征在于，步骤6)采用计算机系统中三维坐标系的建立方法建立缺损所在骨骼的三维坐标系。

9.如权利要求1所述的用于人体单侧肢体骨骼骨性损伤测量的方法，其特征在于，步骤6)中，所述骨缺损参数包括：骨缺损最大长度、宽度、深度和骨缺损在健康骨骼上的空间位置；选用线形测量工具，以鼠标点选方式确定骨缺损最大长度以及宽度、深度的两个端点，确定参数的数值；选用位置测量工具，以鼠标单击方式确定骨缺损最深处的位置，确定该位置的三维坐标；选用角度测量工具，测量缺损所处方向；选用体积测量工具，测量骨缺损的体积。

10.一种测量人体单侧肢体骨骼骨性损伤的系统，包含：显示模块、交互模块、骨缺损处理模块、数据存储模块，其中：

所述骨缺损处理模块又包括：

图像分割子模块，用于对待处理图像进行分割，分别提取健侧骨骼区域和患侧骨骼区域；

三维重建子模块，用于对分割后的健侧骨骼区域图像和患侧骨骼区域图像以及骨缺损断层图像进行三维重建，分别得到健侧骨骼三维模型、患侧骨骼三维模型和骨缺损三维模型；

配准子模块，用于对健侧骨骼三维模型、患侧骨骼三维模型进行配准，得到相应的患侧骨骼配准到健侧对应骨骼的配准矩阵；

骨缺损断层图像获取子模块，用于获取骨缺损断层图像；

解剖结构测量子模块，用于构建缺损所在骨结构的三维坐标系，提供测量所需的工具；

所述交互模块用于检测用户输入，判断所选测量工具，使用户与系统进行交互，参与完成骨缺损的参数测量；

所述显示模块用于展示图像分割结果，健侧骨骼三维模型、患侧骨骼三维模型及骨缺损三维模型，缺损所在骨结构的三维坐标系。

所述数据存储模块又包括：

图像数据库，用于存储患者的医学图像数据，图像分割处理后图像分割数据，骨缺损断层图像；

三维模型数据库，用于存储健侧骨骼三维模型、患侧骨骼三维模型，骨缺损三维模型；

解剖结构数据库，用于存储人体解剖学骨骼骨性标志的重要解剖结构，以及双侧对应的解剖结构标志。